Si estamos hablando de agujeros negros de tamaño estelar, entonces el objeto que colapsa para formar un agujero negro tendrá una alta concentración de hierro (y otros elementos del pico de hierro como manganeso, níquel y cobalto) en su núcleo, y es el colapso del núcleo que comienza el proceso de formación del agujero negro, pero mucho más material que este eventualmente formará ese agujero negro.

Parece, empíricamente, que la masa mínima de un agujero negro de tamaño estelar es de alrededor$4M_{\odot}$, pero es más típicamente alrededor$10-15M_{\odot}$. Pero es poco probable que el núcleo extinto de hierro en una estrella anterior a la supernova exceda alrededor de$1.5-2M_{\odot}$incluso para los progenitores de supernova más masivos (ver, por ejemplo , estas diapositivas ).

Por lo tanto, la mayor parte del material que colapsa en un agujero negro no es hierro, es en realidad el carbono, el oxígeno, el neón de silicio y el helio que rodeaban el núcleo de hierro. Gran parte del material nuclear se fotodesintegrará en sus bariones constituyentes (o partículas alfa) durante el colapso. Las reacciones de neutronización convertirán la mayoría de los protones del material de alta densidad en neutrones. Incluso en el equilibrio, cuando las densidades superiores a aproximadamente$10^{14}$kg/m3$^{3}$se alcanzan, cualquier material nuclear remanente comenzará a transmutarse en todo tipo de extraños y maravillosos núcleos ricos en neutrones (como en las cortezas de las estrellas de neutrones) y para cuando alcances densidades de$\sim 10^{17}$kg/m3$^{3}$(que todavía está muy por fuera del horizonte de eventos de un agujero negro de tamaño estelar), los núcleos perderán su identidad en cualquier caso y se convertirán en un fluido de neutrones, protones y electrones.

Un segundo punto a considerar es si tiene sentido hablar de la composición de un agujero negro. La composición no es una de las cosas que puede medir; estas se limitan a la masa, el momento angular y la carga. Los otros detalles se pierden en un agujero negro (clásico).

El hierro puede sufrir fusión. Sin embargo, el hierro es el punto donde las fusiones comienzan a costar más energía de la que produce, por lo que en una estrella típica no se fusiona.

En una supernova, y la abundancia de energía disponible en una, el hierro continuará fusionándose en materiales más pesados, que es probablemente la forma en que obtuvimos metales más pesados ​​​​aquí en la tierra en primer lugar (después de todo, tiene que haberse fusionado en algún lugar ).

Más concretamente, en el caso de los agujeros negros, cuando colapsan al principio, vea la respuesta de Rob Jeffries , porque lo explicó un poco mejor que yo.

Después de que es un agujero negro, se vuelve imposible hablar sobre su composición en términos de masa y energía a los que estamos acostumbrados. Si bien no estamos seguros acerca de los electrones (AFAIK), los protones y los neutrones tienen un diámetro duro. Eliminar el espacio entre ellos provoca, por ejemplo, una estrella de neutrones, que podría considerarse un átomo muy, muy grande, desde cierto punto de vista:

La mayoría de los modelos básicos para estos objetos implican que las estrellas de neutrones están compuestas casi en su totalidad por neutrones (partículas subatómicas sin carga eléctrica neta y con una masa ligeramente mayor que la de los protones); los electrones y protones presentes en la materia normal se combinan para producir neutrones en las condiciones de una estrella de neutrones. Las estrellas de neutrones se mantienen contra un mayor colapso por la presión de degeneración de neutrones, un fenómeno descrito por el principio de exclusión de Pauli, al igual que las enanas blancas se mantienen contra el colapso por la presión de degeneración de electrones.

– "Estrella de neutrones" , Wikipedia

Sin embargo, a cierta presión, incluso los neutrones/protones no pueden sostener más materia de esa manera. Ahí es cuando tenemos agujeros negros. Sabemos que son más compactas que las estrellas de neutrones, pero ni siquiera sabemos qué tan grandes son, solo que son más pequeñas o iguales a su horizonte de eventos. Ni siquiera sabemos si TIENEN una talla.

Entonces, los agujeros negros están realmente dos pasos por detrás de donde podrías llamar "hierro" a un montón de materia. El paso 1 es la estrella de neutrones, donde ya perdimos toda la información sobre lo que SOLÍAN ser esas partículas antes de que fuera una. Y el paso 2 es el agujero negro, donde ni siquiera sabemos cuáles son esas partículas/materia/energía actualmente. Probablemente nada de lo que hemos visto hasta ahora.

La mayoría de los elementos esenciales aquí se pueden encontrar en Wikipedia:

• Agujero negro
• materia degenerada

Hay uno o dos pasos faltantes que están causando su confusión.

Me voy a centrar en lo que sucede en una estrella enorme con un núcleo de hierro y durante un colapso en un agujero negro, lo que ayudará a explicar mucho mejor la respuesta.

El núcleo de una gran estrella.

En una estrella "ordinaria", las partículas en su núcleo son una mezcla llamada plasma: sus electrones están despojados y libres, y los núcleos también libres. Las estrellas son bastante grandes, y en el núcleo de una estrella, con tanta presión y temperatura, los núcleos de los átomos pueden combinarse ocasionalmente para formar núcleos más grandes. Debido a que los núcleos más grandes son más estables (hasta cierto punto), cuando los núcleos se fusionan de esta manera, el núcleo más grande que crean necesita menos energía para mantenerse unido, lo que se denomina "energía de enlace", que la energía de enlace de los dos o más núcleos que se forman. lo creó Esta energía extra que "no necesita" más, se desprende, y así es como la estrella genera energía y alimenta cualquier luz o calor ("radiación") que emite.

Ahora, como muchas cosas, este proceso de fusión tiene un límite. Un poco como un descuento en la supertienda: compre un artículo, cuesta £ 1. Dos artículos pueden costar £ 1,70 (= £ 0,85 cada uno), 3 artículos £ 2,40 (= £ 0,80 cada uno)... pero eventualmente el descuento se reduce y comprar mil realmente no le brinda más descuento por artículo. Es una analogía cruda pero la fusión funciona igual. Se obtiene mucha energía al combinar dos núcleos de hidrógeno para formar un núcleo de helio. Mucho de combinar helio. En el momento en que combina silicio para obtener níquel y hierro en una estrella grande, simplemente no puede obtener más energía. Es lo más estable que puede llegar a ser un núcleo, y más combinaciones no pueden ser más estables. Entonces, el hierro literalmente no tiene adónde ir. Una vez que el núcleo de la estrella es predominantemente de hierro/níquel, los procesos de fusión que la han alimentado, durante toda su vida, simplemente detener, en cualquier sentido práctico. No pueden fusionarse con elementos más estables, por lo que simplemente no se fusionan.

(Comentario técnico: la fusión no se detiene exactamente, solo se vuelve estadísticamente mucho menos probable que conduzca en una dirección específica o produzca energía neta. Cualquier fusión que dé lugar a elementos por encima del hierro es pequeña en comparación con las posibilidades de esos mismos elementos por encima del hierro. descomponiéndose rápidamente de nuevo. Las reacciones ahora absorben energía para crear elementos más pesados, que tienen una mayor probabilidad de descomponerse y liberar esa energía nuevamente antes de que los elementos más pesados ​​puedan acumularse. Entonces, el efecto neto es que la fusión se detiene, en el sentido de que en un núcleo de hierro, estos procesos van en una dirección tanto como en la otra, y terminan sin llegar a ninguna parte en general).

Ahora veamos la estrella como un todo. Toda su vida, la estrella ha estado tratando de colapsar hacia adentro debido a la fuerza de la gravedad. Pero realmente no lo ha hecho. ¿Por qué no? Dos razones.

• Calor/expansión : primero, el núcleo está inmensamente caliente y ese calor tiende a resistir el colapso de la estrella. A medida que la estrella colapsa, el centro se comprime, por lo que se calienta, la fusión va más rápido, por lo que se calienta, por lo que trata de expandirse nuevamente. Entonces se logra un equilibrio, no puede colapsar.

• Principio de exclusión / presión de degeneración : la segunda razón por la que no colapsa es un extraño principio de mecánica cuántica llamado "Principio de exclusión". Básicamente, si intenta apretar dos partículas subatómicas llamadas "fermiones", se resisten. Los núcleos actúan así y también se resisten a ser apretados, al igual que los electrones. En realidad, esta es la razón por la cual la materia ocupa espacio a nuestro alrededor: las partículas se mantienen separadas por su propia naturaleza cuántica. Lo mismo ocurre con el núcleo de una gran estrella. La fuerza que parece ejercer el principio de exclusión se denomina "presión de degeneración".

El núcleo se derrumba y todo se vuelve loco.

Pero ahora, el núcleo de la gran estrella ha fusionado todo lo que puede en hierro, entonces, ¿qué sucede después? La gravedad todavía intenta hacer que colapse, pero ahora, incluso cuando colapsa y se comprime, no puede resultar en más fusión y más calor: se fusiona todo lo que puede hacer y no puede fusionarse más. Entonces, de repente, todo lo que queda es la presión de degeneración del principio de exclusión, independiente, para resistir la presión hacia adentro, y no puede. Tiene un límite y en una estrella de las que estamos hablando, lo mejor no es suficiente. De repente, como un muro que se derrumba, toda la resistencia contra el derrumbe que el principio de exclusión estaba dando al núcleo, cede y falla.

Ahora no hay absolutamente nada para luchar contra la gravedad, y sin resistencia, la parte interior de la estrella colapsa hacia adentro a una velocidad sorprendente. Alcanza una velocidad de 3/4 de la velocidad de la luz en solo una pequeña fracción de segundo cuando todo el núcleo de la estrella colapsa hacia su centro sin resistencia alguna. El colapso finalmente se detiene en algunos casos, ver más abajo, pero solo cuando el núcleo casi ha alcanzado un tamaño pequeño de solo unas pocas millas de ancho.

Dentro del núcleo colapsado, las partículas interactúan a un nivel increíblemente energético. Nacen nuevos núcleos que no podrían formarse en menos horno que los últimos milisegundos de vida de una estrella moribunda (esta es una fuente importante de muchos de los elementos más pesados ​​que el hierro).

Después de que el núcleo se derrumbe

Sin embargo, dentro del núcleo que colapsa, algo está sucediendo que podría detener el colapso. Los protones y electrones se ven obligados a combinarse rápidamente en neutrones, y la fuerza que mantiene separados a los neutrones es mucho mayor que la fuerza de degeneración en el núcleo original. A veces se le llama presión de degeneración de neutrones, pero más correctamente, casi siempre es la fuerza fuerte, no el principio de exclusión, lo que se activa cuando los neutrones se acercan mucho, y lo que los mantiene separados. De cualquier manera, es esa presión entre los neutrones lo que finalmente detiene el colapso en todas las estrellas gigantes, excepto en las más grandes.

En ese momento, puede suceder una de 3 cosas:

• Gran estrella ordinaria : si la estrella alcanza cierto tamaño, colapsará hasta el punto de que parte del núcleo interno se convierte en neutrones sin prácticamente espacio entre ellos (una "estrella de neutrones"), momento en el que es como si nuestro muro original, que había desaparecido repentinamente, reaparece repentinamente, y regresa como una masa de concreto de varias millas de espesor. El núcleo externo está cayendo a 3/4 de la velocidad de la luz y (ignorando algunos gestos con las manos sobre el colapso estancado y los neutrinos) ... de repente golpea el bloque de hormigón más sólido del universo. Golpe. Rebote. Más grande. Explosión. En. Él. Universo.(bastante). El nombre técnico es una supernova Tipo 2 (o "colapso del núcleo"): hay otras formas en que una supernova puede ocurrir en diferentes tipos de estrellas, pero no voy a ir allí en esta respuesta. Por un corto tiempo, el núcleo emite suficiente energía que ( como dijo XKCD (casi) ) , si ignora el efecto protector del campo magnético y la atmósfera de la Tierra, obtendría mil millones de veces más de una dosis de radiación de una supernova tan lejos como el sol, que de una bomba H que descansa sobre su globo ocular. O como lo expresa un sitio web , la energía emitida por una supernova de colapso central dentro de unas pocas decenas de años luz.destruiría una gran parte de la vida en la tierra (no hay estrellas lo suficientemente grandes cerca de nosotros, ¡así que no te preocupes!) Ese tipo de "grande". Increíblemente grande. Las capas externas de la estrella, que han estado dando vueltas casi como de costumbre durante todo esto, son repentinamente trituradas y arrancadas de la estrella por la pura fuerza del rebote del núcleo externo y lanzadas al espacio, como una nube que se expande rápidamente llamada nube. "nebulosa".
• Gran estrella muy grande : si la estrella es muy * muy * grande, incluso un núcleo de neutrones no puede detener el colapso. El núcleo nunca forma una estrella de neutrones, nunca rebota, nunca explota, porque incluso la presión entre los neutrones no es suficiente para resistir tanta gravedad. La estrella colapsa hasta un punto en el que ni siquiera sabemos con certeza qué sucede; parece que no hay nada que pueda detener el colapso hasta un único punto literal en el espacio. Nace un agujero negro.
• Entre los dos , intenta hacer ambas cosas. Se forma un núcleo de neutrones, hay un rebote... pero es débil. La gravedad es demasiado fuerte y, en lugar de dispersarse en el espacio, la materia que rebota comienza a ralentizarse... y vuelve a caer sobre el núcleo de neutrones. El núcleo se vuelve más grande a partir del material que regresa... más grande... y finalmente, cuando ha regresado suficiente masa al núcleo, el equilibrio se inclina, la gravedad gana, la presión de degeneración de neutrones cede y el colapso interno comienza nuevamente. Esta vez nada puede detenerlo, así que... agujero negro de nuevo.

Ahora, esto no es exacto. Se pierde la posibilidad de quark u otra presión de degeneración, porque eso aún no se ha probado. Ignora a las grandes estrellas y la producción de parejas u otras formas en que pueden terminar con sus vidas. Ignora algunas estrellas más pequeñas que pueden colapsar debido a la eliminación de electrones o explotar sin el colapso del núcleo de hierro como tipo 1a.

Pero da una idea de la forma habitual en que muere una gran estrella, por qué una gran estrella que no puede fusionar el hierro, aún puede colapsar en un agujero negro, y qué sucede cuando esto sucede.

Entonces... ¿un agujero negro está hecho de hierro?

Entonces, finalmente, podemos volver a su pregunta: ¿Un agujero negro está hecho de hierro?

Creo que puedes ver la respuesta.

El núcleo de la estrella era de hierro, pero cuando el núcleo colapsó, dejó de ser de hierro. Parte de la materia del núcleo se desgarró y se convirtió en una inundación de otras partículas y energía. Parte de él, naturalmente, todavía era hierro cuando fue arrojado al espacio. El resto del núcleo colapsó a nivel subatómico y ya no es un elemento (como el silicio, el hidrógeno o el hierro). Es un plasma sólido/líquido de neutrones degenerados y materia de neutrones (y probablemente una tonelada de otros estados y partículas también), hirviendo a una temperatura de hasta mil billones de grados inmediatamente después de nacer como una estrella de neutrones. Si eso suena exótico y complicado, ¡lo es!

Pero para las estrellas más grandes que colapsan, cuando el núcleo de neutrones se colapsa en un agujero negro, incluso esta estructura se pierde, simplemente se vuelve indefinible : una cantidad infinitamente densa de materia en un punto infinitamente pequeño del espacio.

(Comentario técnico: los físicos sospechan que los procesos cuánticos significan que es una densidad "casi infinita" en un espacio "casi infinitesimal", pero para nuestros propósitos no hay ninguna diferencia real)

Eso no es hierro. De hecho, no es ningún elemento en absoluto. Ni siquiera son neutrones o materia degenerada en ebullición. Es solo un agujero negro, un objeto definido por su masa y la rapidez con la que gira (si lo hace: técnicamente, su momento angular) y su carga eléctrica (si la tiene). Es muy, muy, no hierro nunca más, y nunca lo será.

Breve nota de agujero negro al final

Aunque solo he descrito un agujero negro creado por el colapso del núcleo, lo mismo se aplica a los agujeros negros que se forman de otra forma . No importa cómo se forme, los últimos 2 párrafos también se aplican a todo tipo de agujero negro en el universo.

Lo que esto significa es que todos los agujeros negros, sin importar cómo fueron causados ​​y como comenzaron, no tienen una estructura interna que podamos conocer, no retienen ninguno de sus elementos originales, no tienen materia de neutrones.

(Comentario técnico: esto no es del todo cierto, como en la materia que cruza el horizonte de eventos de un agujero negro supermasivo, pero también podría ser cierto en lo que respecta a cualquier persona fuera del horizonte de eventos, definido a continuación, y es cierto para todos los propósitos prácticos y físicos, porque nadie fuera del horizonte de eventos puede detectar alguna diferencia de todos modos).

Todo lo que tienen los agujeros negros, en términos de propiedades físicas, es lo que también tiene un agujero negro de colapso del núcleo: su masa, su rotación/momento angular y su carga, y en la mayoría de los casos (¿o quizás todos? seguro de cuál) un límite llamado "horizonte de eventos" a cierta distancia de ellos, que dicta qué tan cerca de ellos puede estar un objeto antes de que sea físicamente imposible verlo, detectarlo o interactuar de alguna manera con él - porque está demasiado cerca del centro del agujero negro para que cualquier luz u otras señales escapen a la inmensa atracción de la gravedad.

Una vez que cualquier materia o energía cruza este horizonte de eventos, a todos los efectos prácticos se puede tratar como si perdiera cualquier identidad o contenido que tuviera, y simplemente se agregara al agujero negro. Dentro del agujero negro, cuanto más se acerca a la singularidad en el centro, más preciso es esto (aunque nunca podemos verlo). En el centro en sí, es correcto hasta donde sabemos ahora... pero eso es algo vanguardista y nadie tiene absolutamente claro qué sucede exactamente en la singularidad en sí.